動態拉伸
關注創建者：彬～有禮 創建時間：2019-02-10
動態拉伸的實例教程
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。
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樣品制備
實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
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評價方法設計
不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。
準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。當應力波傳遞到試件時，部分應力波通過試件標距段后向透射桿傳遞，另一部分應力波則以反射波形式沿入射桿傳回。通過粘貼于入射桿和透射桿上的電阻應變片記錄入射波、反射波和透射波的應變信號。
展開 基于高速液壓伺服試驗機的材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態加載需考慮應變率效應的影響，即隨著加載應變率的提高，材料往往呈現出一定的應變率敏感性。以往研究表明，高強度材料的強度極限和失效應變等參數隨著應變率的提高會發生顯著變化，因此，為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析，需通過試驗手段獲得材料的動態力學性能參數。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。需要說明的是在不同的應變率范圍，需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試，如圖1所示，如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機，中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機，而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言，中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應變率范圍的試驗裝置
高速拉伸試驗機
霍普金森桿
材料的動態應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程，傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。
展開 3、動態拉伸斷裂試樣的側面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細長，硬度隨應變速率的增大而提高。
服務介紹
國高材分析測試中心依據GB/T 33227-2016標準，配備高速拉伸試驗機和DIC技術系統，可精準測定鋁及鋁合金板帶材在高應變速率下的動態力學性能，包括抗拉強度、延伸率、彈性模量等關鍵參數。試驗涵蓋車身覆蓋件、結構件及軌道交通用鋁材，支持電池殼、高鐵型材等特種材料的應變速率敏感性分析。通過數字化分析，中心可提供高精度應力-應變曲線，為汽車安全仿真、輕量化設計等提供可靠數據支撐。
SHPB實驗原理圖
自1949年世以來，SHPB經過幾十年的發展，已經成為動態力學測量的主要設備，它具有結構簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優點，其所測量的應變率范圍也是人們所關心的一般工程材料應變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術主要應用在金屬及其合金材料上，這類材料拉壓特性基本對稱而且塑性變形能力較大，而復合材料由于其結構的多變性，其阻抗、延展性等與金屬相差較大，故此裝置仍需要不斷的發展。
動態壓縮試驗
一般認為復合材料是粘彈性材料，為了保證加載時材料內應力均勻性，可以在輸入桿的頭端粘貼銅片作為波形整形器，波形整形器的作用是延長入射波的上升沿，增加試樣有效的加載時間，保證試樣中的軸向應力均勻。一般來說，當試樣兩端面的軸向應力差小于5％時，就可以認為試樣中的軸向應力已達到均勻。
典型的沖擊壓縮應力脈沖信號
動態拉伸試驗
與動態壓縮試驗相比較，動態拉伸試驗比較復雜，需要對壓桿進行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應力-應變曲線。
普金森拉桿原理圖
動態剪切試驗
復合材料的動態剪切試驗一般是通過對試樣的合理設計，利用霍普金森桿壓桿實現剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實現對復合材料的剪切變形，得到復合材料的剪切應變率、應力-應變關系。
用于動態剪切測試的霍普金森桿
總結
利用霍普金森桿裝置可對各種復合材料的動態壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細的測試，依據測試結果分析復合材料的應變率行為。
展開 本文主要講述：
1、拉伸試驗的CAE建模及分析，涉及樣片拉伸試驗仿真的約束和加載等；
2、通過關鍵字輸出拉伸試驗后樣片的殘余應力應變厚度變化等信息；
3、通過映射和動態松弛，將殘余應力應變引入試片拉伸分析，驗證加工硬化的影響。
拉伸試驗樣片基礎尺寸如下：
拉伸試驗CAE建模：
1、網格基本尺寸2mm，試片厚度1.2mm，材料B250P1。
2、左端對兩排單元的節點進行全約束（*BOUNDARY_SPC_option），右端對兩排單元的節點施加強迫運動（*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID）。
3、在試片中間建立彈簧單元來模擬標距，可以通過彈簧的變化量來計算應變。
工況一：加載端強迫位移15mm。
工況二：加載端強迫位移3mm，輸出dynain文件（包含殘余應力應變等）。
工況三：對拉伸試片映射工況二的殘余應力應變后，采用動態松弛，最后加載端強迫位移15mm。
以上僅作為學習研究的方法，涉及具體拉伸試驗對標等工作，需要做一定的調整。
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本案例將介紹韌性材料的直接式霍普金森拉桿原理及其Abaqus仿真方法。
3 碰撞斷裂材料卡片及其應用方法
1) 材料試驗
靜態拉伸、動態拉伸(5種不同加載速率)、靜態剪切、動態剪切、靜態壓縮、動態壓縮、靜態穿孔和動態穿孔，共計12個試驗工況，考慮塑料材料的一致性相對較低，每個工況開展3-5次試驗。
2）真應力-應變曲線轉換
壓縮跟剪切試驗需要結合DIC技術進行應變監測，測試前需在樣品表面制作散斑，穿孔試驗一般無需測試應變。
基于高速液壓伺服試驗機的材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。
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最后，基于不同應變率條件下的測試結果，利用材料逆向工程得到基體和增強相在不同應變率情況下的彈塑性材料本構。結果如圖4所示，通過逆向工程構建的復合材料本構模型，能夠很好的描述試件中材料的準靜態拉伸、失效以及動態拉伸行為。
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